Bài 1 Các khái niệm cơ bản về mạng máy tính

Bài 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG MÁY TÍNH 1. Mạng máy tính là gì? - Một mạng máy tính (a communication network) là một sự kết nối một số các thiết bị và cung cấp một môi trường để truyền dữ liệu từ một thiết bị này đến một thiết bị khác. - Kích cỡ của một mạng thay đổi từ một mạng nhỏ với khoảng vài chục thiết bị cho đến những mạng lớn với hàng triệu thiết bị. Đường kính của mạng cũng có thể thay đổi từ phạm vi một căn phòng cho đến một tòa nhà, một khu ký túc xá hoặc trải rộng trên phạm vi vài thành phố. Với các mạng khác nhau có thể dùng các giao thức (protocol) khác nhau. 2. Phân loại mạng máy tính - Thông thuờng các mạng máy tính được phân chia thành các loại sau: + Local Area Networks (LANs) – mạng địa phương hay mạng cục bộ + Metropolitan Area Networks (MANs) Mạng thành phố + Wide Area Networks (WAN) mạng diện rộng a, Mạng LAN: Là một mạng nhỏ, thông thường là một tòa nhà hay một số các tòa nhà gần nhau. Mạng LAN được sở hữu bởi một cơ quan hay một tổ chức. - Mạng LAN cung cấp dải tần số cao - Mạng LAN có tỷ lệ lỗi (error rate) và độ trễ (delay) là rất nhỏ khi truyền số liệu. -Một số công nghệ đang được sử dụng phổ biến cho LANs như là Ethernet, Token Ring, Wi-fi… - Độ rộng dải tần là mức chênh lệnh giữa tần số cao nhất và thấp nhất có trên một kênh truyền thông. Phạm vi tần số này được đo bằng hertz (số vòng trên một giây). Ví dụ, các tín hiệu truyền thông dùng trong giao tiếp điện thoại có tần số giọng nói biến thiên từ 400 đến 3400 Hz. Như vậy, độ rộng dãi tần của giọng nói là 3000 Hz. Độ rộng dãi tần thường được dùng để chỉ lưu lượng của một hệ thống, nhưng nó chỉ liên quan gián tiếp đến lưu lượng đó. - Tốc độ dữ liệu ( data rate) hay dung năng ( capacity) là một cách tốt hơn để chỉ lượng dữ liệu có thể đi qua một hệ thống. Dung năng của một kênh dữ liệu là số đo tốc độ truyền của nó, thường được đo bằng bps ( bits per second: số bit trên một giây). Độ rộng dãi tần càng lớn thì tốc độ truyền càng cao. Mọi hệ thống truyền thông vật lý, dù đó là cáp đồng, không khí hay cáp quang, đều có độ rộng dải tần giới hạn. Chú ý rằng, những tiếng ồn trong hệ thống truyền cũng làm giới hạn tốc độ dữ liệu. b, MAN - Một mạng MAN là một sự tối ưu hóa trên một phạm vi địa lý rộng hơn LAN, từ một vài tòa nhà cho tới toàn bộ thành phố. - Một vài công nghệ được sử dụng cho MAN như ATM - Asynchronous Transfer Mode , FDDI - Fiber distributed data interface, SMDS - Switched multimegabit data service - MAN được dùng để liên kết các LAN không sử dụng các đường cáp, chẳng hạn như dùng sóng microwave, radio, infrared-laser. -Hầu hết các tổ chức, trường học thuê các đường chuyển mạch từ các hãng truyền thông, thay vì lắp đặt các đường cáp trên những khoảng cách lớn sẽ rất đắt tiền. - Thông thường một mạng MAN được sở hữu và vận hành bởi một tổ chức nhưng sẽ được sử dụng bởi nhiều cá nhân và các tổ chức khác (thuê bao) MAN cũng cung cấp một độ rộng dải tần từ mức độ vừa phải cho đến tương đối cao. -Tỷ tỷ lệ lỗi (error rate) và độ trễ (delay) là rất nhỏ khi truyền số liệu và cao hơn (đôi chút) LANs c, WAN -WAN là các mạng trải trên các phạm vi địa lý rộng lớn, dùng để liên kết các thành phố, các khu vực và các quốc gia với nhau. - WAN dùng để liên kết các LANs hay các mạng máy tính khác, chẳng hạn như Internet… - WAN sử dụng các công nghệ như: X25, Frame relay, ATM, công nghệ chuyển mạch (circuit switching) hay công nghệ chuyển gói (packet switching) - WAN cung cấp một độ rộng dải tần từ mức độ thấp cho đến vừa phải. - Tỷ tỷ lệ lỗi (error rate) và độ trễ (delay) khi truyền dữ liệu cao hơn MANS và LANs. 3. Topology – Liên kết mạng – Topo mạng - Topology là cách thức kết nối các máy tính và các thiết bị ngoại vi khác trong một mạng máy tính. Có hai loại liên kết mạng: không tập trung (Decentralized) và tập trung (Centralized) 3.1 Dạng liên kết không tập trung bao gồm: a, Bus Topology – Topo dạng thẳng. Tất cả các máy trạm (stations) được kết nối trực tiếp vào đường truyền (bus) bằng một thiết bị gọi là tap. Sự trao đổi dữ liệu giữa máy trạm và bus là Full-duplex. Một số thuật ngữ trong truyền thông: + Simplex: Truyền thông một chiều từ người gửi (transmitter) đến người nhận (receiver) + Half – duplex: Truyền thông hai chiều nhưng tại một thời điểm chỉ có một chiều được gửi. + Full-duplex: Truyền thông hai chiều sảy ra đồng thời: Trong bus topology, dữ liệu từ một máy trạm được truyền dọc theo đường truyền theo cả hai hướng. Tất cả các máy trạm có thể nhận được dữ liệu truyền trên mạng. Tại hai đầu của bus có các terminators. Nhiệm vụ của các terminators là gỡ bỏ các gói tin khỏi đường truyền để cho các gói tin không bị truyền ngược lại gây tắc nghẽn đường truyền. Mô hình dạng BUS Máy trạm Máy trạm Máy trạm H Máy trạm A Máy trạm Terminator Terminator Dữ liệu TAP + Ưu điểm: - Dễ dàng lắp đặt mạng - Giá thành thấp + Nhược điểm: - Độ dài của cáp và số lượng máy trạm bị hạn chế - Khó khăn trong việc cô lập lỗi trên mạng - Lỗi cáp sẽ ảnh hưởng tất cả các máy trạm - Tăng số lượng máy trạm sẽ giảm tôc độ của mạng b, Tree Topology – Topo dạng cây. - Là sự tổng quát hóa của bus topology. Đường truyền là một cáp được chia nhánh và không có nối vòng. - Tree topology được bắt đầu bằng một điểm được gọi là head-end. Một hoặc nhiều cáp được bắt đầu từ head-end, mỗi một cáp có thể có các nhánh. - Truyền dữ liệu tại mỗi một máy trạm được truyền trên toàn bộ đường truyền và có thể nhận được bởi tất cả các máy trạm. Mô hình dạng tree Terminator Máy trạm Máy trạm Máy trạm Máy trạm Head - End c, Ring Topology – Topo dạng vòng Trong Ring Topology có một số lượng các các thiết bị lặp (repeater) và các máy trạm được kết nối bởi một kết nối điểm-điểm (point-to-point) trong một đường truyền khép kín. Các kết nối theo một hướng duy nhất và dữ liệu được truyền trên đường truyền theo chỉ một hướng. Mỗi máy trạm được kết nối vào mạng tại một repeater và có thể truyền dữ liệu vào đường truyền thông qua repeater. Dữ liệu đựơc truyền theo từng khung (frame) qua tất cả các máy trạm. Máy trạm đích ghi nhận địa chỉ của nó và copy frame vào vùng đệm (và có thể xóa frame trên đường truyền). Mô hình dạng Ring Máy trạm Máy trạm G Máy trạm Máy trạm Máy trạm A Máy trạm Máy trạm Ring Repeater - Vì có nhiều máy trạm cùng chia sẻ đường truyền nên việc điều khiển truy nhập đường truyền là cần thiết để xác định máy trạm nào có quyền truyền các frame vào đường truyền. +Ưu điểm: - Lỗi cáp ảnh hưởng tới một số lượng nhất định người dùng. - Tất cả các máy trạm có quyền bằng nhau khi truy nhập mạng (khi mạng chịu tải lớn). - Tăng số lượng máy trạm chỉ làm giảm đôi chút hiệu suất của mạng + Nhược điểm: - Tốn kém trong việc mua dây (do phải nối vòng). - Khó khăn trong kết nối mạng. - Tốn kém trong việc mua các repeater. - Lãng phí đường truyền (khi mạng chịu tải nhẹ). 3.2 Dạng liên kết tập trung bao gồm: Star Topology – Kết nối dạng ngôi sao - Trong Star topology mỗi một máy trạm được nối trực tiếp vớimột nút trung tâm chung bằng kết nối point-to-point. Loại cáp dùng để kết nối có thể là cáp sắn đôi (twisted pairs) hoặc cáp quang (filber optics) - Có hai cách lựa chọn để điều hành nút trung tâm: + Nút trung tâm có chức năng như một trạm phát (broadcast). Một frame được truyền đi từ một máy trạm sẽ được truyền đi khắp các đường liên kết (link). - Trong trường hợp này cấu trúc vật lý của mạng là star nhưng về mặt logic nó là một bus. Thiết bị dùng cho nút trung tâm thường là HUB + Nút trung tâm có chức năng như là một thiết bị chuyển mạch khung. Mỗi một frame khi được gửi đi từ máy trạm sẽ được đưa vào vùng đệm của nút trung tâm, nút trung tâm sẽ đọc frame để xác định địa chỉ của máy trạm đích (MAC address) sau đó sẽ chuyển frame đến trạm đích. Thiết bị dùng cho nút trung tâm thường là SWITCH Mô hình dạng STAR Nút trung tâm (HUB, SWITCH) Máy trạm Máy trạm Máy trạm Máy trạm Máy trạm + Ưu điểm: - Dễ dàng khi thêm máy trạm. - Điều khiển trung tâm, có thể chia các máy trạm thành các mạng LAN nhỏ hơn (Virtual LAN –VLAN) + Nhược điểm: - Hỏng hub hoặc Switch sẽ làm ảnh hưởng tới tất cả các máy trạm kết nối tới hub hoặc switch này 4. Protocol – Giao thức mạng - Một protocol là một tập hợp các qui tắc dùng để điều khiển sự truyền thông giữa các máy tính trong một mạng. - Những quy tắc này bao gồm các nguyên tắc dùng để điều chỉnh các tính chất của một mạng: phương pháp truy cập (access method), cấu trúc vật lý (physical topology), loại cáp (type of cables) và tốc độ truyền dữ liệu (data rates). - Các giao thức được dùng phổ biến hiện nay bao gồm: + Các giao thức cho mạng LAN: Ethernet, LocalTalk, Token Ring, FDDI, Frame relay + Các giao thức cho mạng WAN: ATM, X25… 5. Kiến trúc phân tầng và chuẩn hóa mạng. - Khi các máy tính, các thiết bị đầu cuối hay các thiết bị sử lý dữ liệu trao đổi dữ liệu, các thủ tục tham gia vào quá trình này có thể là rất phức tạp. Ví dụ quá trình gửi một file giữa 2 máy tính: +Cần có một đường truyền giữa 2 máy tính (trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua mạng truyền thông), các công việc cần thực hiện được liệt kê sau đây: i, Hệ thống nguồn (bên gửi) cần phải: + Kích hoạt đường truyền dữ liệu trực tiếp + Thông báo cho mạng truyền thông địa địa chỉ hay tên của hệ thống đích ii, Hệ thống nguồn cần phải chắc chắn rằng hệ thống đích đã sẵn sàng nhận dữ iii, Ứng dụng gửi file trên hệ thống nguồn cần phải chắc chắn rằng chương trình quản lý file trên hệ thống đích đã sẵn sàng để nhận và lưu trữ file cho người dùng. iv, Nếu định dạng file trên 2 hệ thống là không tương thích nhau thì một trong 2 hệ thống cần phải thực hiện chức năng điều chỉnh định dạng file. - Nhũng công việc trên (module) được chia nhỏ thành các công việc nhỏ hơn và được thực hiện riêng rẽ. - Trong kiến trúc giao thức (protocol architecture) những module được sắp xếp theo một ngăn xếp (stack) đứng. Mỗi một module (hay còn gọi là một lớp - layer) thực hiện một tập hợp các chức năng để liên kết với các hệ thống khác. - Mỗi một lớp phụ thuộc vào lớp bên dưới nó để thực hiện một số chức năng cơ bản (primitive functions) và cung cấp các dịch vụ cho lớp cao hơn. Một cách lý tưởng là các lớp nên được định nghĩa sao cho những thay đổi trong một lớp không đòi hỏi những thay đổi trong các lớp khác. Những yếu tố quan trọng của giao thức là: Syntax: Quan tâm đến định dạng của khối dữ liệu sẽ được gửi đi (header, data, trailer…) Semantics: Bao gồm thông tin điều khiển để kết hợp và kiểm soát lỗi (sequence, FCS…). Timing: Bao gồm đồng bộ về thời gian và thứ tự (Timer, round trip…). 6. Mô hình 3 lớp (Three layers Model) - Một cách tổng quát, truyền thông bao gồm 3 tác nhân: Các ứng dụng, các máy tính, và các mạng máy tính. - Các ứng dụng chạy trên các máy tính, các máy tính này có thể hỗ trợ đồng thời nhiều ứng dụng. - Các máy tính được kết nối với các mạng và dữ liệu được chuyển từ máy tính này đến các máy tính khác bằng các mạng. Do đó việc truyền dữ liệu từ một ứng dụng đến ứng dụng khác bao gồm: - Nhận dữ liệu đến máy tính mà tại đó ứng dụng được cài đặt và sau đó là nhận dữ liệu đến ứng dụng. Một cách tự nhiên, việc truyền thông được tổ chức thành 3 lớp tương đối độc lập: + Lớp truy nhập mạng (network access layer). + Lớp giao vận (transport layer) + Lớp ứng dụng (appliacation layer). - Lớp truy nhập mạng : Quan tâm đến việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính và mạng. Máy tính gửi dữ liệu cần phải cung cấp cho mạng địa chỉ của máy tính nhận dữ liệu để mạng gửi dữ liệu đến đích một cách chính xác. Máy tính gửi cũng có thể yêu cầu một số dịch vụ chẳng hạn như quyền ưu tiên, quyền ưu tiên này do mạng cung cấp. -Lớp giao vận : Quan tâm đến việc trao đổi thông tin một cách đáng tin cậy, đó là tất cả các dữ liệu đến được ứng dụng đích một cách chính xác (không có lỗi)và dữ liệu đến đích có cùng thứ tự như chúng được gửi đi (do dữ liệu cần phải được chia nhỏ thành các frame, và các frame này phải được đánh số thứ tự). - Lớp ứng dụng: Cần được xây dựng để hỗ trợ nhiều ứng dụng khac nhau, chẳng hạn như ứng dụng gửi file, ứng dụng gửi e-mail, ứng dụng duyệt web… Ví dụ: một ứng dụng tại máy tính A muốn gửi một thông báo tới một ứng dụng trên máy tính B. Khi đó: Bên gửi: + Ứng dụng tại máy A gửi thông báo tới tầng giao vận với chỉ dẫn là truyền cho ứng dụng tại máy B. + Tầng giao vận gửi thông báo tới tầng truy nhập mạng với chỉ dẫn là truyền thông báo tới máy tính B. Lưu ý là tầng truy nhập mạng không được chỉ dẫn tới ứng dụng trên máy tính B. - Ứng dụng bên gửi sinh ra một khối dữ liệu và chuyển nó tới tầng giao vận. Tầng giao vận có thể chia nhỏ khối dữ liệu thành 2 hay nhiều khối nhỏ hơn để dễ quản lý (dễ gửi lại khi bị lỗi). Với mỗi khối nhỏ tầng giao vận gắn thêm vào một phần thông tin gọi là transport header, phần này chứa thông tin điều khiển giao thức (protocol control information). Sự kết hợp giữa dữ liệu từ tầng trên (tầng ứng dụng) và thông tin điều khiển giao thức được gọi là Protocol Data Unit (PDU). Trong trường hợp này PDU được hiểu là transport PDU (PDU của tầng transport). -Thông tin điều khiển chứa trong transport PDU sẽ được sử dụng bởi transport protocol trong máy tính B. -Những thông tin được chứa đựng trong transport header có thể bao gồm: + Điểm truy cập ứng dụng đích – Destination Service Access Point – Destination SAP:Khi tầng giao vận tại máy đích nhận được PDU nó cần phải biết gửi dữ liệu đến ứng dụng nào. -Số thứ tự - Sequence number: Bởi vì transport protocol gửi đi một chuỗi các PDU do đó nó đánh số các PDU theo một thứ tự, do đó nếu nếu các PDU này đến đích mà không đúng thứ tự đã được đánh số thì transport layer của máy đích có thể sắp xếp lại chúng theo đúng thứ tự ban đầu sau đó mới gửi lên tầng ứng dụng. - Mã phát hiện lỗi - Error-detection code: Tầng giao vận của máy gửi có thể gửi kèm một đoạn mã được tính toán trên khối PDU cần gửi. Tầng giao vận bên máy đích thực hiện cùng một phép tính toán trên đoạn mã nhận được. Nếu kết quả tính toán: +Giống nhau: Quá trình gửi PDU không bị lỗi +Khác nhau: Đã sảy ra lỗi trong quá trình truyền dữ liệu. Bên nhận có thể loại bỏ PDU vừa nhận và yêu cầu bên gửi gửi lại PDU này (hoặc thực hiện các biện pháp để sửa lỗi). - Bước tiếp theo là tầng giao vận chuyển các PDU cho tầng truy nhập mạng với chỉ dẫn là truyền PDU này cho máy tính B. Giao thức của tầng truy nhập mạng gắn thêm vào network access header vào khối dữ liệu nhận được từ tầng giao vận và tạo nên network access PDU. Thông tin được chứa đựng trong network access header có thể bao gồm: + Địa chỉ của máy đich (Destination Computer Address) + Các yêu cầu điều kiện (facilities requests) : Chẳng hạn như mức ưu tiên khi gửi dữ liệu Bên nhận: - Khi nhận được một network access PDU, máy B sẽ kiểm tra xem địa chỉ đích của PDU này có trùng với địa chỉ của mình hay không, nếu đúng thì sẽ thực hiện gỡ bỏ phần network access header của PDU này sau đó gửi phần còn lại của PDU lên tầng giao vận. - Tầng giao vận khi nhận được PDU từ tầng truy nhập mạng sẽ thực hiện việc kiểm tra lỗi, nếu có lỗi thì có thể loại bỏ PDU này và yêu cầu gửi lại. - Nếu không có lỗi thì tiến hành gỡ bỏ phần transport header và sắp xếp PDU này theo đúng thứ tự, sau đó gửi lên tầng ứng dụng - Tầng ứng dụng tiến hành xử lý thông báo. Mô hình 3 lớp Application Data Data 1 Data 2 Transport Header Transport Header Frame 1 Frame 2 Network Access Header Network Access Header